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读者写者问题与读写锁自旋锁

news 来源：原创 2025/6/22 5:48:16

一、读者写者问题

读者写者问题具有以下特点：

  • 一个交易场所---写者写入数据，读者读数据
  • 两种角色---读者，写者
  • 三种关系
    • 读者和读者---并发
    • 写者和写者---互斥
    • 读者和写者---互斥 && 同步

二、读者写者VS生产消费

生产者消费者模型中的消费者会将数据取走，而读者不会，这也是为什么读者之间不需要互斥，而是并发执行。

三、读者写者问题如何理解

通过下面伪代码来展示读者写者问题：

公共部分：

C++

uint32_t reader_count = 0; //读者数量

lock_t count_lock;   //reader_count是临界资源，访问需要加锁

lock_t writer_lock;   //写者之间 && 写者和读者之间 是 互斥的

Reader：

C++

// 加锁

lock(count_lock);

        if(reader_count == 0)

                lock(writer_lock);

        ++reader_count;

unlock(count_lock);

// 执行读操作 

//解锁

lock(count_lock);

        --reader_count;

        if(reader_count == 0)

                unlock(writer_lock);

unlock(count_lock);

Writer：

C++

lock(writer_lock);

// 执行写操作

unlock(writer_lock);

四、读写锁

在编写多线程的时候，有一种情况是十分常见的。那就是，有些公共数据修改的机会比较少。相比较改写，它们读的机会反而高的多。通常而言，在读的过程中，往往伴随着查找的操作，中间耗时很长。给这种代码段加锁，会极大地降低我们程序的效 率。那么有没有一种方法，可以专门处理这种多读少写的情况呢？

有，那就是读写锁。

注意：写独占，读共享，读锁优先级高。

读写锁接口：

设置读写优先

C

int pthread_rwlockattr_setkind_np(pthread_rwlockattr_t *attr, int pref);

/* pref 共有 3 种选择

PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP (默认设置) 读者优先，可能会导致写者饥饿情况

PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NP 写者优先，目前有 BUG，导致表现行为和

PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP 一致

PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NONRECURSIVE_NP 写者优先，但写者不能递 归加锁

*/

初始化

C

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

销毁

C

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

加锁和解锁

C

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

示例代码：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include <cstdlib>
#include <ctime>// 共享资源
int shared_data = 0;// 读写锁
pthread_rwlock_t rwlock;// 读者线程函数
void *Reader(void *arg)
{//sleep(1); //读者优先，一旦读者进入&&读者很多，写者基本就很难进入了int number = *(int *)arg;while (true){pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); // 读者加锁std::cout << "读者-" << number << " 正在读取数据, 数据是: " << shared_data << std::endl;sleep(1);                       // 模拟读取操作pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 解锁}delete (int*)arg;return NULL;
}// 写者线程函数
void *Writer(void *arg)
{int number = *(int *)arg;while (true){pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); // 写者加锁shared_data = rand() % 100;     // 修改共享数据std::cout << "写者- " << number << " 正在写入. 新的数据是: " << shared_data << std::endl;sleep(2);                       // 模拟写入操作pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 解锁}delete (int*)arg;return NULL;
}int main()
{srand(time(nullptr)^getpid());pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL); // 初始化读写锁// 可以更高读写数量配比，观察现象const int reader_num = 2;const int writer_num = 2;const int total = reader_num + writer_num;pthread_t threads[total]; // 假设读者和写者数量相等// 创建读者线程for (int i = 0; i < reader_num; ++i){int *id = new int(i);pthread_create(&threads[i], NULL, Reader, id);}// 创建写者线程for (int i = reader_num; i < total; ++i){int *id = new int(i - reader_num);pthread_create(&threads[i], NULL, Writer, id);}// 等待所有线程完成for (int i = 0; i < total; ++i){pthread_join(threads[i], NULL);}pthread_rwlock_destroy(&rwlock); // 销毁读写锁return 0;
}

读者优先（Reader-Preference）

在这种策略中，系统会尽可能多地允许多个读者同时访问资源（比如共享文件或数 据），而不会优先考虑写者。这意味着当有读者正在读取时，新到达的读者会立即被 允许进入读取区，而写者则会被阻塞，直到所有读者都离开读取区。读者优先策略可 能会导致写者饥饿（即写者长时间无法获得写入权限），特别是当读者频繁到达时。

写者优先（Writer-Preference）

在这种策略中，系统会优先考虑写者。当写者请求写入权限时，系统会尽快地让写者进入写入区，即使此时有读者正在读取。这通常意味着一旦有写者到达，所有后续的 读者都会被阻塞，直到写者完成写入并离开写入区。写者优先策略可以减少写者等待 的时间，但可能会导致读者饥饿（即读者长时间无法获得读取权限），特别是当写者频繁到达时。

五、自旋锁

5.1、概述

自旋锁是一种多线程同步机制，用于保护共享资源免受并发访问的影响。在多个线程 尝试获取锁时，它们会持续自旋（即在一个循环中不断检查锁是否可用）而不是立即 进入休眠状态等待锁的释放。这种机制减少了线程切换的开销，适用于短时间内锁的 竞争情况。但是不合理的使用，可能会造成 CPU 的浪费。

5.2、原理

自旋锁通常使用一个共享的标志位（如一个布尔值）来表示锁的状态。当标志位为true 时，表示锁已被某个线程占用；当标志位为 false 时，表示锁可用。当一个线程尝 试获取自旋锁时，它会不断检查标志位：

  • 如果标志位为 false，表示锁可用，线程将设置标志位为 true，表示自己占用了锁，并进入临界区。
  • 如果标志位为 true（即锁已被其他线程占用），线程会在一个循环中不断自旋等待，直到锁被释放。

5.3、优点与缺点

优点：

  • 低延迟：自旋锁适用于短时间内的锁竞争情况，因为它不会让线程进入休眠状 态，从而避免了线程切换的开销，提高了锁操作的效率。
  • 减少系统调度开销：等待锁的线程不会被阻塞，不需要上下文切换，从而减少了系统调度的开销。

缺点：

  • CPU 资源浪费：如果锁的持有时间较长，等待获取锁的线程会一直循环等待，导 致 CPU 资源的浪费。
  • 可能引起活锁：当多个线程同时自旋等待同一个锁时，如果没有适当的退避策略，可能会导致所有线程都在不断检查锁状态而无法进入临界区，形成活锁。

5.4、使用场景

  • 短暂等待的情况：适用于锁被占用时间很短的场景，如多线程对共享数据进行简单的读写操作。
  • 多线程锁使用：通常用于系统底层，同步多个 CPU 对共享资源的访问。

5.5、纯软件自旋锁类似的原理实现

自旋锁的实现通常使用原子操作来保证操作的原子性，常用的软件实现方式是通过CAS（Compare-And-Swap）指令实现。以下是一个简单的自旋锁实现示例（伪代码）：

C++

#include <stdio.h>

#include <stdatomic.h>

#include <pthread.h>

#include <unistd.h>

// 使用原子标志来模拟自旋锁

atomic_flag spinlock = ATOMIC_FLAG_INIT; // ATOMIC_FLAG_INIT 是 0

// 尝试获取锁

void spinlock_lock() {

        while (atomic_flag_test_and_set(&spinlock)) {

                // 如果锁被占用，则忙等待

        }

}

// 释放锁

void spinlock_unlock() {

         atomic_flag_clear(&spinlock);

}

C++

typedef _Atomic struct

{

   #if __GCC_ATOMIC_TEST_AND_SET_TRUEVAL == 1

        _Bool __val;

   #else

        unsigned char __val;

   #endif

} atomic_flag;

功能描述:

atomic_flag_test_and_set 函数检查 atomic_flag 的当前状态。如果atomic_flag 之前没有被设置过（即其值为 false 或“未设置”状态），则函数会将其 设置为 true（或“设置”状态），并返回先前的值（在这种情况下为 false）。如果atomic_flag 之前已经被设置过（即其值为 true），则函数不会改变其状态，但会返回 true。

原子性:

这个操作是原子的，意味着在多线程环境中，它保证了对 atomic_flag 的读取和修改是不可分割的。当一个线程调用此函数时，其他线程无法看到这个操作的任何 中间状态，这确保了操作的线程安全性。

Linux 提供的自旋锁系统调用：

C++

#include <pthread.h>

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);

int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);

int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);

int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);

注意：

  • 在使用自旋锁时，需要确保锁被释放的时间尽可能短，以避免 CPU 资源的浪费。
  • 在多 CPU 环境下，自旋锁可能不如其他锁机制高效，因为它可能导致线程在不同的 CPU 上自旋等待。

结论：

自旋锁是一种适用于短时间内锁竞争情况的同步机制，它通过减少线程切换的开销来提高锁操作的效率。然而，它也存在 CPU 资源浪费和可能引起活锁等缺点。在使用自旋锁时，需要根据具体的应用场景进行选择，并确保锁被释放的时间尽可能短。

示例代码：

// 操作共享变量会有问题的售票系统代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>int ticket = 1000;
pthread_spinlock_t lock;void *route(void *arg)
{char *id = (char *)arg;while (1){pthread_spin_lock(&lock);if (ticket > 0){usleep(1000);printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);ticket--;pthread_spin_unlock(&lock);}else{pthread_spin_unlock(&lock);break;}}return nullptr;
}int main(void)
{pthread_spin_init(&lock, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);pthread_t t1, t2, t3, t4;pthread_create(&t1, NULL, route, (void *)"thread 1");pthread_create(&t2, NULL, route, (void *)"thread 2");pthread_create(&t3, NULL, route, (void *)"thread 3");pthread_create(&t4, NULL, route, (void *)"thread 4");pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);pthread_join(t3, NULL);pthread_join(t4, NULL);pthread_spin_destroy(&lock);return 0;
}

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